2021年7月29日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱新廣研究團(tuán)隊(duì)通過整合近半個(gè)多世紀(jì)來關(guān)于C₃光合作用、氮同化及呼吸代謝的研究成果，在國際上構(gòu)建了首個(gè)C₃光合初等代謝動力學(xué)系統(tǒng)模型，解析了大氣CO₂濃度升高抑制C₃植物光合作用氮同化能力的潛在代謝機(jī)制。相關(guān)研究成果論文“Potential Metabolic Mechanisms for Inhibited Chloroplast Nitrogen Assimilation under High CO2”在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Plant Physiology。

自工業(yè)革命以來，全球大氣CO₂濃度不斷升高。大氣 CO₂ 濃度的增加通常會促進(jìn)C₃作物的光合作用和作物產(chǎn)量。但大量的觀測同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，CO₂濃度升高抑制了C₃植物的光合作用氮同化過程、降低了主要 C₃谷類作物的蛋白質(zhì)含量。這不僅降低了作物的氮素利用效率，也限制了高CO₂濃度對作物生長的促進(jìn)效應(yīng)，還對人類的營養(yǎng)健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，闡明在大氣CO₂升高的背景下植物初等代謝的響應(yīng)機(jī)制對于應(yīng)對全球氣候變化、保障糧食安全及營養(yǎng)安全意義重大。

植物體內(nèi)光合作用與氮同化之間存在緊密互作關(guān)系。光合作用需要蛋白質(zhì)，其中有機(jī)氮是通過氮同化獲得；光合作用則為氮同化提供了碳骨架（α-酮戊二酸）、能量（ATP）和還原力（NAD(P)H）。在植物葉片中，光合作用、氮同化及呼吸作用相互影響，共同形成一個(gè)復(fù)雜的初等代謝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。至今，雖然有大量植物對高CO₂的響應(yīng)研究，但是大氣CO₂濃度升高抑制氮同化進(jìn)而導(dǎo)致C₃禾本科植物蛋白質(zhì)含量下降的代謝機(jī)制仍然不明確。

在本研究中，朱新廣團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全球首個(gè)關(guān)于C₃光合初等碳氮代謝的動力學(xué)機(jī)理模型。該模型涵蓋了卡爾文-本森循環(huán)、光呼吸途徑、淀粉合成、糖酵解-糖異生、三羧酸循環(huán)和光合氮同化等代謝途徑；該模型能夠準(zhǔn)確模擬不同光照強(qiáng)度和CO₂濃度條件下的光合速率、線粒體呼吸速率和光合氮同化速率。